（管理科学与工程专业论文）煤矿区煤层气利用对策及技术综合评价研究.pdf

摘要 煤矿区煤层气利用对策及技术综合评价研究 摘要 我国富煤贫油少气的能源结构，决定了煤炭在国民经济发展中始 终占据主导地位，并在未来较长时期内难以改变。面对每年因煤层气 事故引发上千死亡人数和相当于我国天然气储量的煤层气资源储量的 巨大反差，国家明令企业必须将煤层气抽采到规定标准以下方可采煤， 并限制抽采浓度在3 0 以上的煤层气空排到大气中，同时给予抽采利 用煤层气的企业一定财税优惠政策。目前，面对众多煤矿区煤层气开 发利用技术，企业对如何筛选最适宜技术处于盲目阶段，对各种技术 的适用性、经济性、社会性等缺乏系统认知；同时国家对推动煤矿区 煤层气产业化发展、如何布局各类技术、如何制定适宜的煤矿区煤层 气开发利用激励政策还处于摸索阶段，亟需一套适应中国煤矿区特点 的煤矿区煤层气开发利用技术评价方法和评价工具。 为打破限制煤矿区煤层气产业发展的下游瓶颈，本论文着重围绕 煤矿区煤层气利用对策及利用技术进行研究。在调研分析国内外煤矿 区煤层气开发利用策略、利用技术应用、综合评价方法基础上，通过 对煤矿区煤层气利用系统分析，依据煤矿区煤层气产业特色以及不同 利用技术特点，从技术一经济一环境一社会四个纬度构建煤矿区煤层 气利用技术评价体系和评价模型。依托评价方法，重点对最具有产业 化前景的煤矿区煤层气发电技术进行综合评价，并进行不同政策、引 北京化工大学硕士学位论文 入c d m 机制、技术变化对煤矿区煤层气发电技术综合评价影响的情景 分析。 通过对不同浓度的煤矿区煤层气发电技术综合评价，结果显示： 在不考虑政策和c d m 机制碳交易背景下，中高浓度煤矿区煤层气，经 济效益i r r 基本与基准收益率持平；低浓度及极低浓度煤矿区煤层气 经济效益i r r 基本远远低于基准收益率，经济效益差。若考虑不同政 策扶持和c d m 机制碳交易，不同浓度煤矿区煤层气经济效益将有不同 程度的提高。 本论文基于国家重大科技专项大型油气田及煤层气开发中“煤 矿区煤层气产业化发展战略研究 这一专题进行研究。 关键词：煤矿区煤层气，利用对策，利用技术，综合评价 i i a b s t r a c t t h es t u d yo nu t i l l i z a t i o ns t r a t e g ya n d s y n t h e t i c a le v a l u a t i o no fc o a lm i n i n g m e t h a n e a b s t r a c t t h ee n e r g ys t r u c t u r eo fr i c hc o a l ，l e s so i la n dg a sd e t e r m i n e st h e d o m i n a n to fc o a li nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yi nc h i n a ，w h i c h w i l ln o tc h a n g ef o ral o n gt i m e w i t ht h ec o m p a r i s i o na b o u tt h o u s a n d so f d e a t hd u et oc o a lm i n i n gm e t h a n e ( c m m ) a c c i d e n t sa n dt h eh u g er e s e r v e s o fc m mr e s o u r c e se q u i v a l e n tt on a t u r a lg a s ，e n t e r p r i s e sm u s tb en o tt o e x p l o r ec o a lu n t i lc m m e x t r a c t i o nb e l o ws t a n d a r d ，a n dl i m i te m i s s i o no f c m mc o n c e n t r a t i o n sa b o v e30 ，a n dt h ee x t r a c t i o no fe n t e r p r i s e sw o u l d b eg e tt a xp r e f e r e n t i a lp o l i c i e s a tp r e s e n t ，w i t hn u m e r o u sc m mu t i l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s ，t h em o s ts u i t a b l et e c h n o l o g yf o re n t e r p r i s e si s n td e c i d e d e a s i l y , w i t h o u ts y s t e mc o g n i t i o no na p p l i c a b i l i t y , e c o n o m y , s o c i a l i t ya b o u t v a r i o u st e c h n i q u e s w h a t sm o r e ，g o v e r n m e n ti se a g e rt ok n o wh o wt o p r o m o t ei n d u s t r i a l i z a t i o no fc m m ，h o w t ol a y o u to ft e c h n o l o g y , h o wt o f o r m u l a t ea p p r o p r i a t ei n c e n t i v ep o l i c y , w h i c hi sp r o m p t l yn e e d e da b o u t c m me v a l u a t i o nm e t h o d sa n de v a l u a t i o nt e c h n o l o g yt o o l sc o n s i d e r i n g c h i n a sc o a lm i n ea r e ac h a r a c t e r s t h i s p a p e r w a s e m p h a t i c a l l y s t u d i e da r o u n dc m mu t i l i z a t i o n i i i 北京化工大学硕士学位论文 c o u n t e r m e a s u r e sa n dt e c h n o l o g i e s i nr e s e a r c ha n da n a l y s i so fc m mb y u s i n gt e c h n o l o g ys t r a t e g y , c m m t e c h n i c a l a p p l i c a t i o n s t a t u sa n d c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，c m mt e c h n i c a le v a l u a t i o ns y s t e ma n d m o d e lw a ss t r u c t u r e dt h r o u g hf o u ra s p e c t so nt e c h n o l o g y , e c o n o m y , e n v i r o n m e n ta n ds o c i a l i t y r e l y i n go nt h ee v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h ec m m p o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya sk e y n o t ew a se v a l u a t e da sw e l la ss c e n a r i o a n a l y s i so nt h et h ee f f e c t i o no fd i f f e r e n tp o l i c i e s ，c d mm e c h a n i s ma n d t e c h n o l o g i c a lc h a n g e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fc m mp o w e rt e c h n o l o g y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nr e s u l t ss h o w ：u n d e rt h eb a c k g r o u n dt h a td o n t c o n s i d e r p o l i c y a n dt h ec d mm e c h a n i s mi nc m mc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ，e c o n o m i cb e n e f i to fh i g hc m m c o n c e n t r a t i o nm a t c hb a s i c a l l y t h eb e n c h m a r kr a t ei r r , a n dt h a to fl o wc m mc o n c e n t r a t i o na n d e x t r e m e l yl o wc m m c o n c e n t r a t i o ni sf a rb e l o wt h eb e n c h m a r kr a t ei r r , w i t hp o o re c o n o m i cr e t u r n s ；u n d e rt h eb a c k g r o u n dt h a tc o n s i d e rd i f f e r e n t p o l i c ys u p p o r ta n dt h ec d mm e c h a n i s mo fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f c m m ，e c o n o m i cb e n e f i tw i l lh a v ed i f f e r e n td e g r e e so fi m p r o v e m e n t t h i sp a p e rw a ss t u d i e db a s e do nt h es t r a t e g yr e s e a r c ho fc m m i n d u s t r i a l i z a t i o n ，w h i c hi s t h ep a r to ft h em a jo rn a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc a l l e ds p e c i a lb i go i l g a sc b md e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：c o a l m i n i n gm e t h a n e ，c m m ，u t i l i z a t i o nc o u n t e r m e a s u r e s ， u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：塑! ：兰：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在三一年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：起垒垄 日期： 型旦：至：! ! 导师签名： 坦灶 日期：递z 旦，z 二丛、_ 一 第一章绪论 第一章绪论 煤矿区煤层气1 ( 煤矿瓦斯) 资源综合利用具有重要的战略地位，关乎保障煤 矿安全生产、增加清洁能源供应，减少生态环境污染，促进煤炭工业可持续发展， 亟需引起国家、政府、企业及相关科研院所高度重视。 1 1 研究背景 1 1 1 煤矿区煤层气利用具有安全、节能、环保等多重效益 与发达国家以石油、天然气为主的能源结构相对比，中国是以煤炭为主的国 家。i l l 伴随煤炭不断开采，煤矿安全问题一直是国内外关注的焦点。与世界各主要 产煤国煤矿安全状况相比，中国治理煤矿安全事故形势十分严峻。国外多家媒体 报道中犀利指出中国的煤炭为工人的“血汗煤”( b l o o da n dc o a l ) 。1 2 l 根据近年来 事故资料，煤矿瓦斯仍然是煤矿安全事故“第一杀手”( 如图1 1 ) ，一次死亡1 0 人以上特大事故中，瓦斯事故占8 0 。频繁发生的煤矿瓦斯事故，不仅给国家和 人民造成巨大经济损失和生命损失，还严重影响煤炭企业的正常生产以及煤炭工 业的持续发展，同时，对中国的国际形象造成极大的伤害。如果不治理好煤矿瓦 斯问题，中国煤矿安全生产无从谈起。 图1 - 1 我国煤矿一次死亡3 人以上瓦斯、项板和水灾事故起数【3 】 f i g 1 - 1t h e n u m b e ro f t h r e ep e o p l ea b o v e dd i e di nc o a lg a s ，r o o f a n dp e r m e a t i n gw a t e r a c c i d e n t si nc h i n a 煤矿区煤层气，又称煤矿瓦斯。学术界普遍形成共识，在关于资源利用方面称谓煤矿区煤层 气，在煤矿安全方面称谓煤矿瓦斯。 北京化 大学硕士学位论文 同时，天然气供需差距逐渐显现，预计2 0 1 0 年我国天然气供需缺口2 0 0 亿立 方米3 0 0 亿立方米，2 0 2 0 年更是扩大到7 0 0 亿立方米1 1o o 亿立方米。【4 j 煤矿区 煤层气作为非常规天然气，是一种宝贵的资源。据最新一轮资源评价显示，我国 埋藏2 0 0 0 米以浅的煤层气资源量约3 6 8 万亿立方米，【5 】与陆上天然气储量相当， 约相当于4 5 0 亿吨标准煤炭。开发和利用煤层气可以有效弥补我国常规天然气在 地域和供应量上的不足。近年来，煤层气在民用燃料、发电、工业燃料等领域加 以利用，有效替代化石燃料，成为清洁能源中一员，如图1 2 所示。 图1 - 21 9 9 3 2 0 0 8 年煤矿区煤层气利用量不惫图 f i g 1 2t h e u s eo f c o a lm i n i n gm e t h a n ef r o m1 9 9 3t o2 0 0 8 另外，煤矿区煤层气主要成分甲烷是一种很主要的温室气体，其温室效应是二 氧化碳的2 1 倍。【6 】目前，中国煤矿区煤层气排放量居世界首位，2 0 0 8 年排放量已 超过1 5 0 亿立方米。如图1 3 所示。煤矿区煤层气利用将有力减少煤层气向大气中 的排放量，降低温室效应，促进低碳经济发展。 图l - 3 中国历年煤矿区煤层气排放情况 f i g 1 - 3c o a lm i n i n gm e t h a n ee m i s s i o n so v e rt h ey e a r si nc h i n a 综上，煤矿区煤层气利用具有保障煤矿安全、增加清洁能源供给、改善大气 环境多重效益，同时煤矿区煤层气利用还将带动道路、管道、钢铁、水泥、化工、 电力、生活服务等系列相关产业发展，扩大就业，促进当地经济的发展，从而促 2 第一章绪论 进中国经济和社会可持续发展。 1 1 2 煤矿区煤层气利用进程形势严峻 抽采利用煤层气带来的保障煤矿安全、增加清洁能源供给、减少温室气体排 放等多重效益，成为国家强制推动和大力提倡煤矿区煤层气开发利用的关键因素。 党中央、国务院高度重视中国煤层气开发利用问题。温家宝总理明确提出：“开 发和利用煤层气既可以治理瓦斯，又可利用能源，一举两得，应该加大科研、勘 探、开发的力度。”张德江副总理于2 0 0 9 年9 月在全国煤矿瓦斯防治工作会议上 指出：“煤层气产业将成为国民经济新的增长点，要抓紧理顺瓦斯抽采利用的体制 机制，进一步落实完善瓦斯抽采利用政策 。国家发改委、国务院政策研究室、安 全生产监督管理总局、环境监测总局、财政部等有关部门和地方政府积极贯彻国 务院部署，相继出台了一系列扶持煤层气发展的优惠政策，极大地鼓励了煤层气 开发利用，煤矿瓦斯治理和利用的政策体系基本形成。表1 1 汇总了近年来国家出 台的关于煤层气开发利用部分政策。 表1 - 1 煤层气开发利用部分政策汇总表8 1 t a b l e1 - 1p o l i c i e sa b o u to fe x p l o i t a t i o no fc o a l - b e dm e t h a n e 编号单位政策名称核心思想 关于组织开展全国重点煤矿 2 0 1 0 年抽采量1 亿m 3 矿区 国能煤炭 国家能源局 区煤层气抽采利用规模化建 【2 0 0 9 1 0 0 号 数达1 8 个；2 0 1 5 年3 6 个 设工作的通知 国家发展改革委、 整治小煤矿，建立瓦斯抽采 发改能源国家能源局、国家关于组织开展小煤矿瓦斯专 系统，实施先抽后采、抽采 【2 0 0 9 1 8 8 9 号 安全监管总局、国项整治的通知 达标和有效防治瓦斯突出 家煤矿安监局 国家发展改革委、 贯彻落实“先抽后采、监测 发改能源国家能源局、国家关于组织开展人中型煤矿瓦 监控、以风定产”方针，加 【2 0 0 9 1 4 9 4 号 安全监管总局、国斯专项整治的通知 大瓦斯抽采和利用力度 家煤矿安监局 安委办国务院安委会办关于进一步加强煤矿瓦斯治 遏制重特大事故系列举措， 包括应抽尽抽，抽采达标， 【2 0 0 8 1 1 7 号 公室理工作的指导意见 全面落实治理和利用政策 环境保护部和国煤层气( 煤矿瓦斯) 排放标煤层气( 煤矿瓦斯) 的排放 g b 215 2 2 2 0 0 8 家质检总局 准( 暂行)限制 关于组织申报煤层气( 煤矿 财建办 财政部办公厅瓦斯) 开发利用财政补贴资 明确申报条件、申报材料和 【2 0 0 8 1 3 4 号 申报程序。 金的通知 财建 2 0 0 7 11 4 财政部关丁- 煤层气( 瓦斯) 开发利发电外利用，中央补贴0 2 北京化工大学硕十学位论文 号用补贴的实施意见元m 3 ，地方适当补贴 发改能源 国家发展改革委 关于利用煤层气( 煤矿瓦斯) 煤层气( 煤矿瓦斯) 电厂上 网电价比照当地脱硫燃煤 【2 0 0 7 1 7 2 1 号 发电工作的实施意见 机组标杆上网电价 发改价格 国家发展改革委关于煤层气价格管理的通知 民用煤层气出厂价格由供 【2 0 0 7 1 8 2 6 号 需双方协商确定 安监总煤装 国家安全监管总 关于加强煤矿瓦斯先抽后采充分认识先抽后采重要性， 局、国家煤矿安监 2 0 0 7 1 8 8 号 工作的若于指导意见强化保障措施 局 财税t 2 0 0 7 11 6 财政部、国家税务关于加快煤层气抽采有关税 实施增值税先征后返、设备 加速折旧、减免所得税等措 号总局收政策问题的通知 施 国办发 国务院办公厅 关丁加快煤层气( 煤矿瓦斯)宏观指导煤层气勘探开发 【2 0 0 6 1 4 7 号 抽采利用的若干意见利用工作 发改办 国家发改委 煤层气( 煤矿瓦斯) 开发利加强抽采利用，保护生命、 【2 0 0 6 】1 0 4 4 号 用“十一五”规划节约资源、保护环境 财关税财政部、海关总 关于印发关- f 煤层气勘探进口设备、仪器、专用上具 开发项目进口物资免征进口 等免征进口关税和进口环 【2 0 0 6 】1 3 号 署、国家税务总局 税收的规定节增值税 然而，虽然近些年国家已经出台系列鼓励抽采利用与限制空排政策，但我国 煤矿区煤层气抽采总量仍不大，利用水平还比较低，发展很不平衡。2 0 0 8 年全国 抽采量仅为5 8 亿立方米；我国矿井瓦斯平均抽采率仅有2 3 ，抽采利用率不足 3 0 。这与我国3 6 8 万亿立方米的煤层气地质资源储量差距甚远。煤层气因受自 身抽采工艺和利用浓度限制，开发利用成本较天然气高，煤矿企业作为经济利益 驱动体，仅为了保障煤矿安全生产被动抽采煤层气，不愿意在煤层气利用上投入 过多技术和资金。煤矿企业被动地对煤矿瓦斯的抽采，单纯为保证安全进行煤矿 瓦斯抽采投入，无任何经济利益，毫无积极性而言。 1 1 3 煤矿区煤层气利用对策和技术综合评价亟待研究 从国家的角度看，政府希望通过市场引导、政府驱动，加强煤矿区煤层气抽 采和利用，加快煤层气产业发展，保障煤矿安全生产，增加清洁能源供给，减少 生态环境污染，促进煤炭工业可持续发展。政府考虑如何有力保障煤矿安全生产， 降低煤矿死亡人数；如何调动煤矿企业开发利用煤矿区煤层气的积极性，推动煤 矿瓦斯治理攻坚战向煤层气开发利用延伸，从源头上杜绝煤矿事故发生，达到“以 用促抽、以抽保安全”的目的；如何制定更有效的促进煤层气利用的激励政策和 创新政策。 从煤矿企业的角度考虑，企业面临政府明令禁止在瓦斯不达标的情况下开采 4 第一章绪论 煤矿，倘若能有效用好国家政策，找到合适经济利益平衡点，将煤矿瓦斯变废为 宝，煤矿瓦斯抽采不再是赔钱买卖，而是能够产生经济效益、安全效益、环境效 益的产业，将极大促进煤矿企业开发利用煤矿瓦斯的积极性。 目前存在的问题是： ( 1 ) 国家亟需想知道重点发展哪些技术来促进煤矿企业对煤层气开发利用的 行动? 国家和地方政府应该如何制定促进煤层气利用的激励政策和创新政策? 如 何提高煤矿企业开发利用煤层气的经济效益，调动企业积极性? ( 2 ) 煤矿企业迫切想知道煤层气利用的投入产出，用什么技术开发利用煤层 气最优? 如何使自身经济效益最大化? 因此，探讨煤矿瓦斯利用途径和对策，如何找到国家和煤矿企业利益平衡点， 需要有科学的定量方法，开展煤矿区煤层气利用对策和技术综合评价研究非常必 要和迫切。 1 2 研究目的和意义 通过本论文的研究，宏观方面理清中国煤矿区煤层气资源综合利用的脉络， 探索如何激励煤矿企业积极开展煤矿区煤层气抽采和利用的对策，进一步保障煤 矿安全生产、资源综合利用和降低温室效应；微观方面用科学定量评价方法，构 建评价模型，分析煤矿区煤层气利用途径的技术、经济、环境和社会效益，包括 技术适应性、投资和成本、收益等。 从国家层面讲，理清煤矿区煤层气利用带来的社会效益、经济效益、安全效 益、环境效益，保障矿区安全、改善环境状况、增加清洁能源，为国家制定战略 规划提供依据；从企业层面讲，掌握能实现经济效益的技术途径，明确不同浓度 的煤矿区煤层气的适宜用途，为企业有效利用煤层气提供指导，争取经济利益最 优化。 本论文研究成果可为国家制定煤矿区煤层气产业化发展战略提供技术支持， 为各级政府部门制定国家和地方近期和中长期煤矿区煤层气利用技术综合发展规 划和计划提供科学参考依据，同时，为煤矿企业投入煤层气开发利用提供参考。 1 3 研究内容和技术路线 5 北京化工大学硕十学位论文 1 3 1 主要研究内容 本论文主要是基于国家重大科技专项大型油气田及煤层气开发中“煤矿 区煤层气产业化发展战略研究”这一专题进行研究，侧重研究煤矿区煤层气利用 对策和煤矿区煤层气利用技术综合评价。 具体来讲，本文研究内容主要包括以下四方面： 1 从煤矿区煤层气涵义界定出发，围绕煤矿区煤层气开发利用策略、利用技 术现状、综合评价方法三个层次对煤矿区煤层气相关研究领域进行系统地回顾和 介绍。指出国内外现有研究工作在不同程度上为煤矿区煤层气利用及技术综合评 价研究提供了有力的理论、技术和系统应用层面的支撑，但是具有一定局限性。 主要是缺乏系统化、整体化的全局规划和总体应用架构，即通过煤矿区煤层气利 用系统分析，建立煤矿区煤层气利用技术综合评价指标体系这一基础平台将各部 分研究内容有机结合起来达到整体效果。本论文研究将完善相关工作的缺失与局 限。 2 对煤矿区煤层气利用进行系统分析，引入系统动力学理论对煤矿区煤层气 利用系统的互动关系进行剖析。同时，展开对煤矿区煤层气利用技术评价关注点 进行探索，重点分析了煤矿区煤层气利用技术特征；另外对煤矿区煤层气利用技 术评价影响要素、关联结构、动态变化进行分析。 3 在对综合评价理论分析的基础上，遵循指标体系构建目的和原则，初步构 建煤矿区煤层气利用技术综合评价指标体系，在大量调研与专家讨论基础上，经 过指标相关性检验和可靠性检验，围绕技术一经济一环境一社会四个维度，最终 确定煤矿区煤层气利用技术综合评价指标体系。同时，分别对各定量指标进行指 标模型构建。 4 选取技术最成熟、市场应用最广泛、最具典型代表性的煤矿区煤层气发电 技术作为评价对象，从技术、经济、环境、社会四个维度对中高浓度、低浓度以 及极低浓度( 矿井乏风) 煤矿区煤层气进行量化评价，并进行多因素情景分析， 分别考虑不同政策激励情景下、c d m 机制碳交易情景下、技术变化( 发电规模变 化、年发电小时变化、机组发电效率变化、国产机组和国外机组差异) 情景下对 煤矿区煤层气发电技术综合评价的影响。 1 3 2 技术路线 围绕1 3 1 所述的研究内容，本论文的技术路线如图1 4 所示。 6 第一章绪论 图l - 4 技术路线图 f i g 1 - 4f l o wc h a r to f t e c h n i c a lr o u t e 7 第一二章文献综述 第二章文献综述 2 1 煤矿区煤层气涵义界定 目前，许多关于煤层气研究缺乏针对性，使读者难以区分哪一类型煤层气， 将会影响到国家煤层气政策、法规、交流等。为更清晰了解本文研究对象，本论 文研究在开篇将煤层气涵义进行界定，以便更好地讨论煤矿区煤层气相关问题。 2 1 1 煤层气涵义和分类 根据1 9 9 4 年版中国小百科全书1 9 q b 有关煤成气定义可知，煤成气可分为 两个大类，即煤生气和煤层气。其中，煤生气是由碳质页岩、煤层等生气母岩内 运转出来的那部分煤生气，可分为分散煤生气和集中煤生气两个小类，后者可聚 集成气藏，类似于天然气气田或气藏，具有较高的工业价值。而煤层气是基本上 未逸散运移出煤层生气层的、以吸附或游离状态赋存于煤层及周围岩石中的煤成 气。与煤生气相比，煤层气更多的吸附于煤层中，因此，在进行煤层气开采时， 出现天然气气井或油井“井喷 现象的情况并不多见，这无疑增加了煤层气开采 利用的难度。 宁成浩( 2 0 0 4 ) 【l0 】按照煤层气采收方式的不同，将煤层气分为两大类，即煤 层甲烷气( c o a lb e dm e t h a n e ，简称c b m ，也称地面煤层气) 和煤矿瓦斯( c o a lm i n e m e t h a n e ，简称c m m ，也称煤矿煤层气) 。c b m 的回收对象主要是未进行采动作 业的煤层气中所吸附的甲烷气体，回收方式以地面钻井抽采为主，其气体组分中 甲烷浓度较高( 高达9 5 以上) ，类似于常规天然气资源。c b m 回收的目的，一 方面是考虑其可作为天然气替代能源进行利用，另一方面是出于满足日后煤矿正 常安全生产的需要，必须对要开采煤层中的甲烷进行预抽。与c b m 相比，c m m 的回收对象主要是已进行煤层开采的矿井或废弃矿井中的煤层吸附甲烷。在煤矿 实际生产过程中，出于安全与能源利用的考虑，必须对煤矿瓦斯抽采或者强制通 风排放，因此c m m 又可以分为煤矿抽采瓦斯( c o i lm i n em e t h a n ed r a i n e d ，简写 c m m d ) 和煤矿风排瓦斯( v e n t i l a t i o nm i n em e t h a n e ，简写v m m ) ，如表2 1 所示。 9 北京化工大学硕上学位论文 表2 - 1 煤层气分类表 t a b l e2 1c o a lm i n eg a sc l a s s i f i c a t i o n c m m ( c o a lm i n em e t h a n e ) c b m ( c o a lb e d m e t h a n e )c m m d ( c m m v v i m ( v e n t i l a t i o n a m m ( a b a n d o n e d d r a i n e d ) m i n em e t h a n e )m i n em e t h a n e ) 中文名称或译义地面煤层气 抽采煤层气风排煤层气 废弃矿井中煤层气 煤层是否已开采 否 是是是，且已开采完 甲烷浓度( ) 9 55 0 7 0 0 7 53 0 4 0 以地面钻井为 主。目的是开采以井下钻孔抽采和通风巷排空为主，目的是保证煤矿正常 开采方式及目的 能源、煤炭采前安全生产、能源利用。 预抽 刘文革等a ( 2 0 0 4 ) t 1 1 j 将煤层气根据开发方式的不同分为3 种，地面开发煤层气 ( c o a lb e dm e t h a n e 即c b m ) 、煤矿井下抽采煤层气( 俗称抽采瓦斯) ( c o a lm i n e m e t h a n e 即c m m ) 、报废矿井煤层气( a b a n d o n e dm i n em e t h a n e 即a m m ) 。一般 将抽采煤层气和报废矿井煤层气统称为煤矿区煤层气。 r o l a n dm a d e r 等人( 2 0 0 5 ) 1 2 j 将煤层气( c b m ) 划分为未开发煤层气( v c b m ) 和煤矿瓦斯( c m g ) 。其中，未开发煤层气( v c b m ) 与采煤过程没有联系，常与 石油工业联系，以地面钻井抽放为主；煤矿瓦斯( c m g ) 划分为抽采煤层气( c m m ) ， 报废矿井煤层气( a m m ) 以及风排煤层气( v m m ) 。c m m 主要是在伴随煤炭开 采过程，煤炭开采前、采中、采后从煤体或围岩中抽取煤层气。如图2 1 所示。 图2 - 1 煤层气分类图 f i g 2 1c o a lm i n eg a sc l a s s i f i c a t i o n 学者们关于煤层气的分类方式大同小异，在本论文研究中，笔者采用宁成浩 学者关于煤层气的分类方式。 1 0 第二章文献综述 2 1 2 煤矿区煤层气涵义定位 为了使读者更清晰地了解本论文的研究对象，对煤矿区煤层气进行界定。依 据煤层气的涵义和分类，煤矿区煤层气又称煤矿瓦斯，是一种与采煤活动密切相 关的煤层气资源，开发对象是即将或已进行煤层开采的矿井或废弃矿井中的煤层 吸附甲烷。如图2 2 所示。 在成煤过程中自然形成，无二次i 焉黧滋差毳禹产 煤变质程度、埋藏深度、地质构i 富集特点l 危害 造和项底板封闭条件的影响lli c h 。成分占1 9 0 以上，以吸附和游离 状态存在于煤层及邻近岩层中 邻近层抽采卜+ 一井下抽采 采窄区抽采i _ j 主要成分 存在形式 开发 术手段 煤 矿 区 煤 层 气 威胁煤矿开采安全，导致多 起瓦斯、煤尘爆炸事故和煤 与瓦斯的突j l ；事故 c 乩为温室气体，散发到大 气中消耗平流层臭氧，引起 气候异常，诱发人类疾病 增加新能源，改善能源结构 斐鍪王u 改善矿区安全，提高企业经 开发利用li 济效益 改善地区大气质量，保护全 球环境 图2 - 2 煤矿区煤层气的生成、危害和开发利用技术及其综合效益1 1 3 1 f i g 2 - 2g e n e r a t i o n ，h a r m ，u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e g r a t e db e n e f i to nc o a lm i n g i n g m e t h a n e 煤矿区煤层气的特征： ( 1 ) 在煤矿生产中是一种有害气体，对煤矿安全生产造成巨大威胁； ( 2 ) 主要成分是甲烷，是近一二十年来在世界上崛起的新型能源。 ( 3 ) 是一种温室气体，它的温室效应是二氧化碳的2 l 倍。 煤矿区煤层气的利用将会收到改善煤矿安全、保护全球环境、增加清洁能源 供应多重效应。本论文主要以煤矿区煤层气为研究对象，针对采煤过程中煤矿区 煤层气利用问题进行研究。 2 2 煤矿区煤层气开发利用策略综述 全球煤层气资源丰富，根据国际能源署( i e a ) 的统计资料，全球煤层气资源 量可能超过2 6 0 万亿立方米。从2 0 世纪7 0 年代开始，随着人们对煤层气资源 开发利用问题的观念转变，世界主要产煤国纷纷涉足煤层气领域，如美国、加拿 l l 北京化工大学硕士学位论文 大、澳大利亚、新西兰、英国、法国、德国、比利时、匈牙利、西班牙、波兰、 捷克、俄罗斯、乌克兰、南非、津巴布韦、印度、中国等，从政策上强力推动本 国煤层气开发利用产业化发展。其中以美国、加拿大、澳大利亚及中国最为突出。 2 2 1 国外煤矿区煤层气开发利用策略综述 ( 一) 美引1 5 】，【1 6 ”7 】，【1 8 】 美国是世界上煤层气商业化开发最为成功的国家，也是迄今为止煤层气产量 最高的国家。从1 9 8 3 年到2 0 0 8 年，美国煤层气年产量从1 7 亿立方米猛增至5 9 0 亿立方米，如图2 3 所示。截止到2 0 0 6 年底，美国1 7 个含煤盆地煤层气累计产量 为5 6 6 7 亿立方米，迅速形成产业化规模。煤层气占美国气体能源( 天然气) 总量 的8 1 0 ，成为国内重要的能源资源。 图2 - 31 9 8 9 - 2 0 0 8 年美国煤层气产量( 美国能源信息署) f i g 2 3p r o d u c t i o no fc o m - b e dm e t h a n ei nu s a f r o m19 8 9t o2 0 0 8 ( 1 e a ) 美国煤层气迅速发展，多数学者认为除了美国自身良好的煤层气储存条件、 发达的天然气管道系统之外，政府的鼓励政策发挥举足轻重的作用。 在环境政策上，美国强制性要求采煤企业在采煤过程中必须达到一定抽采率， 核准甲烷排放量；企业需预付抵押金，由政府视其煤层气利用情况予以返还；并 利用征收的排污费建立煤层气开发利用补贴资金。在经济政策上，从1 9 8 0 年起政 府先后颁布了能源意外获利法、能源政策法和气候变化行动计划等， 鼓励和支持煤层气开发和利用：关于税收补贴方面，美国能源意外获利法第 2 9 条规定，非常规能源开发用单位产量的所得税补贴值形式表示，补贴值随产量 变化而变化，补贴率随通货膨胀指数进行调整，使企业从中获得巨大经济收益； 据统计，从1 9 8 0 年到1 9 9 0 年的1 0 年间，美因黑勇士盆地和圣胡安盆地煤层气开 1 2 第二章文献综述 发获得的税收补贴分别为2 7 亿美元和8 6 亿美元。在技术政策上，以美国能源部、 环保局和天然气研究所为代表的政府机构，先后投入6 0 多亿美元支持有关研究机 构和技术咨询公司开展大量煤层气科学研究和试验工作。 ( 二) 加拿大【1 9 】，1 2 0 1 ，【2 1 】 加拿大利用北美地区常规天然气储量和产量下降，供应形势日趋紧张，天然 气价格日益上升给煤层气带来的发展机遇，仅2 0 0 2 2 0 0 3 年，就增加1 0 0 0 口左右 的煤层气生产井，使煤层气年产量达到5 1 亿立方米，煤层气生产井的单井同产量 达到3 0 0 0 7 0 0 0 立方米。到了2 0 0 4 年，煤层气生产井已达2 9 0 0 多口，年产量达到 1 5 5 亿立方米，截止到2 0 0 8 年底，加拿大煤层气产量为7 0 亿立方米，煤层气的 发展进入了一个新阶段。 图2 - 42 0 0 0 2 0 0 6 年加拿大煤层气钻井数和产量 f i g 2 - 4d r i l l i n gc o u n ta n dp r o d u c t i o no fc o a l - b e dm e t h a n ei nc a n a d af r o m2 0 0 0t o2 0 0 6 加拿大煤层气产业的发展与政府有效引导分不开。加拿大政府没有专门为煤 层气产业出台优惠的税费政策，但政府部门在产业管理中的职责明确分工和对产 业发展趋势和投资方向及时引导，为加拿大煤层气产业形成灵活的市场机制发挥 着重要的作用。政府做好政府该做的事情，企业在政府的管理和法规框架下做好 自己的投资。另外，也有学者认为加拿大煤层气矿权管理模式和资料共享制度为 其煤层气产业在技术成熟后的快速发展提供了保证条件。 ( 三) 澳大利亚【2 2 】，【2 3 l ，【2 4 】，【2 5 】 澳大利亚十分重视煤层气的开发利用，整个煤层气的勘探开发工作发展迅速， 是世界煤层气开发最活跃的地区之一。澳大利亚的煤层气勘探工作始于1 9 7 6 年， 1 9 9 8 年的产量只有0 5 6 亿立方米，到2 0 0 6 年底煤层气产量约为1 8 亿立方米，截 止到2 0 0 8 年底，澳大利亚煤层气产量为3 0 亿立方米，已进入大规模商业化开发 阶段。 1 3 北京化工大学硕上学位论文 图2 - 51 9 9 7 2 0 0 6 年澳大利亚煤层气钻井数和产量 f i g 2 5d r i l l i n gc o u n ta n dp r o d u c t i o no fc o a l - b e dm e t h a n ei na u s t r a l i af r o m19 9 7t o2 0 0 6 澳大利亚政府出台有利的政策或者措施加大对煤层气投资和需求的引导。政 府设置了煤炭开采前必须将煤层瓦斯含量降低到3 立方米i i 屯；以下的规则，一方面 完全保证了煤炭开发的安全，另一方面通过“先采气、后采煤 大大促进了煤层 气产业的发展，很好地解决了煤层气开发和煤炭开采之间的矛盾，煤炭企业对煤 层气开发保持一种欢迎和支持的态度。另外，在澳大利亚煤层气开发利用比较好 的昆士兰州，要求天然气( 包括煤层气) 发电必须占本州发电量的1 3 ，这一措 旋极大地增加了天然气( 包括煤层气) 的市场需求。 ( 四) 其他国家 其他国家为了鼓励本国的煤层气开发利用，也制定了许多对策。印度政府出 台系列政策，规定煤层气项目从商业性生产开始七年之内免税，实行低税率的矿 区使用费，对煤层气作业必需的材料和服务免交进口关税，煤层气实行市场定价 原则；此外，煤层气已经依据石油和天然气法纳入天然气的定义和管理范畴， 从法律上扩展了天然气的定义。英国政府按照企业投资管理办法，给予开采煤 层气的企业一定的税收优惠政策。【2 6 】德国2 0 0 4 年生效的可再生能源法，给予 煤层气发电极大优惠，并鼓励企业在相关设备上开展中长期投资。【2 7 】 【2 8 】波兰政府 给予从事石油、天然气以及煤层气勘探的企业1 0 年免税。俄罗斯和乌克兰也正在 制定一些税收优惠政策和管理法规，鼓励外国公司投资开发本国的煤层气资源。 2 2 2 国内煤矿区煤层气开发利用策略综述 中国煤矿抽采煤层气从建国后开始，1 9 5 2 年，抚顺矿务局的龙凤矿开始较大 规模的开采层抽采煤层气；1 9 5 7 年，阳泉矿务局四矿试验成功了邻近层抽采煤层 气的方法。【2 9 1 中国煤层气利用起步较晚，从2 0 世纪5 0 年代开始，到7 0 年代末， 主要目的是为减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽采，基本都排放到大气 1 4 第一二章文献综述 中去了，很少进行利用。1 9 9 3 年，井下抽放系统年抽采量达5 3 6 亿立方米，部分 地区开始用于工业和民用取暖。从9 0 年代开始，井下抽采利用逐渐形成规模，如 图2 - 6 所示。2 0 0 9 年，全国范围内涉及民用、发电、工业燃料等方面利用量达2 5 亿立方米，如图2 7 所示。 厂_ 面磊r i 地丞塑：苤塑i 、昌i 翕“ 5 3 4 5 6 6 3 4 7 4 2 8 5 8 i i _ 宝 宝宝宝昌 一一 2 1 4 7 4 6 ，3 5 0 图2 - 61 9 9 2 2 0 0 9 年煤矿区煤层气抽采矿井数和抽采总量 f i g 2 6e x t r a t i o nm i n e sa n dp r o d u c t i o ni nc o a lm i n i n gm e t h a n ef r o m19 9 2t o2 0 0 9 3 4 6 4 囵囵 吲 o o 6 9 2 4 ；够 娑= 竺西 一f 习r 啊i a 昌罟苫害害g兽 蠹呙曷昌昌昌蠹 图2 71 9 9 3 2 0 0 9 年煤矿区煤层气利用量1 3 0 l f i g 2 - 7u t i l i z a t i o ni nc o a lm i n i n gm e t h a n ef r o m19 9 3t o2 0 0 9 中国政府高度重视煤层气开发利用和煤矿瓦斯防治工作，坚持制裁和鼓励两 手抓，出台了许多激励煤层气开发利用的政策。在制裁方面，对不